Модернизация конструкции валопровода и винто-рулевого комплекса судна

Мтр?fP

10. Проектирование и расчёт конструкции для заводки гребного вала в сборе с гребным винтом

10.1 Описание конструкции

Конструкция для заводки гребного вала с гребным винтом состоит из следующих элементов:

- платформ ( верхней и нижней );

- тележек с домкратом;

- электродвигателя для перемещения тележек с домкратом;

- лестницы для подъёма рабочих. Нижняя платформа перемещается по рельсам стапеля на колёсах, соединённых между сбой осями. На этой платформе находятся тележки с домкратами, с помощью которых можно перемещать верхнюю платформу в вертикальном и горизонтальном направлении при заводке гребного вала в дейдвудную трубу.

На верхней платформе находятся ещё две тележки с домкратами, на которые укладывается гребной вал. Заводка вала осуществляется с помощью этих тележек, которые перемещаются по направляющей верхней платформы с помощью электродвигателя. Домкраты служат для дополнительного перемещения вала вверх и вниз.

При расчёте конструкций для заводки гребного вала в сборе с гребным винтом проверяем прочность осей колёс и рассчитываем домкрат верхней платформы.

10.2 Расчёт конструкции для заводки гребного вала

10.2.1 Расчёт прочности осей колёс

Исходные данные:

Масса конструкции М = 2512 кг;

Нагрузка на ось Р = М = 314 кг;

Длина оси л = 2,5 м;

Материал оси Сталь 35

Рис. 10.1 Расчётная схема , эпюры сил и моментов.

Крутящий момент определён по следующей формуле, исходя из расчётной схемы ( рис.10.1 ):

Мкр=Р

Мкр=314*=392,5 кг*м

Условие прочности:

;

Момент сопротивления;

;

где d - диаметр оси, мм.

Из предыдущих формул получаем выражение для расчёта диаметра оси:

;

мм.

Диаметр оси при соблюдении условия прочности, должен быть не менее 23,2 мм, принимаем 25 мм. Момент сопротивления в данном случае:

мм3

Из условия прочности:

МПа

255,8 МПа ? 320 МПа - условия соблюдены.

10.2.2 Расчёт домкрата

Исходные данные:

Масса гребного вала Мвала = 61800 Н;

Масса гребного винта Мвинта = 48150 Н;

Количество домкратов n = 12;

Материала винта Сталь 35;

Материал гайки Сталь 3.

Рис.10.2. Схема нагружения домкрата.

Определим грузоподъемность одного домкрата:

;

Н

Определим диаметр винта домкрата по условию устойчивости:

;

где Fa - грузоподъёмность домкрата, Н; - коэффициент высоты гайки, 1,3; - коэффициент для упорной резьбы, 0,75 - допустимое напряжение смятия, 6 МПа

мм

судно валопровод рулевой модернизация

Выбираем резьбу М243 со следующими размерами:

- наружный диаметр резьбы - d=24 мм;

- внутренний диаметр резьбы - d1=20.75 мм;

- средний диаметр резьбы - d2=22,05 мм;

- шаг резьбы - Р = 3

- высота профиля - h = 1,624 мм;

- высота гайки - Н = 19 мм;

- число витков гайки - z = 6,35. Условия прочности резьбы по напряжениям среза:

;

где Н - высота гайки, мм;

- внутренний диаметр резьбы, мм;

к - коэффициент полноты резьбы, 0,65;

Кm - коэффициент неровномерности нагрузки по виткам резьбы, 0,6;

- допустимое напряжение среза, 120 МПа.

МПа

18,98 ? 120 - условие прочности соблюдено.

Проверка ходовой резьбы по напряжениям смятия:

;

где - средний диаметр резьбы, мм; h - высота профиля, мм; z - число витков гайки; - допустимое напряжение смятия, 240 МПа.

МПа

12,8 ? 240 - условие устойчивости соблюдено.

Т.к. стержень винта работает на сжатие и имеет большую свободную длину, его необходимо проверить на прочность с учётом устойчивости:

;

где - коэффициент уменьшающий допуск напряжений, 0,8.

Для материала винта, принимаем коэффициент запаса прочности = 2 получаем:

МПа;

;

МПа;

11. Расчёт подшипников

Конструкция валопровода включает в себя упорный вал, опирающийся на подшипник качения.

Этот подшипник предназначен для работы под радиальными нагрузками, но может одновременно воспринимать и осевую нагрузку. Подшипник имеет два ряда бочкообразных роликов. Дорожка качения на наружном кольце обработана по сфере. Подшипник может работать при значительном ( порядка 2-30 ) перекосе внутреннего кольца относительно оси наружного.

Произведём расчёт упорного подшипника. Упорный подшипник воспринимает усилие, движущие судно, т.е. передаёт корпусу судна упор, создаваемый гребным винтом.

Расчёт подшипника производим по динамической грузоподъёмности С при частоте вращения n =10 мин-1.

Условие подбора:

С (потребная) ? С (паспортная)

Динамическая грузоподъёмность и ресурс связаны следующей эмпирической зависимостью:

;

где, L -ресурс подшипника, млн.об.; принимаем L = 45 тыс.час. = 1013 млн.об. P - эквивалентная динамическая нагрузка,Н; р - коэффициент для роликовых подшипников, 3,33; a1 - коэффициент надёжности, 1; a2 - обобщённый коэффициент совместного влияния качества металла и условий эксплуатации, 0,35;

Эквивалентная динамическая нагрузка, Н:

Р = Fa + 1.2Fr;

где, Fa - осевая нагрузка на подшипник, Н;

Fr - радиальная нагрузка на подшипник, Н.

В нашем случае осевая нагрузка равна максимальной тяге в швартовом режиме 255кН = 255000Н, а радиальную нагрузку принимаем равной весу вала.

Р = 255000+2675 =257675Н

Динамическая грузоподъемность, Н:

Результаты расчётов показывают, что ни один из отечественных подшипников не может воспринимать такую нагрузку при данном диаметре вала. Таким образом, приходим к выводу, что установленный на данном проекте судна упорный подшипник производства германии является наилучшим для данного условия эксплуатации.

12. Технико - экономическое обоснование разработанных предложений

В данном дипломном проекте были разработаны предложения по модернизации конструкции валопровода, а именно:

1. Насадка гребного винта гидропрессовым способом; 2. Насадка румпеля на баллер гидропрессовым способом;

3. Конструкция для заводки гребного вала в сборе с гребным винтом.

Эти предложения существенно сокращают сроки монтажа валопровода, что является преимуществом с технической точки зрения. В данном разделе дипломного проекта оценим предложенные технологии с экономической точки зрения, что позволит сделать вывод о целесообразности их внедрения. Себестоимость:

С=М+З0+Ос+Н+Оа+Отр;

где, М - стоимость материалов, руб.;

З0 - основная заработная плата основных

производственных рабочих, руб.;

Ос - отчисления на социальные нужды, руб.;

Н - накладные расходы, руб.;

Оа - амортизационные отчисления

Отр - отчисления на ремонт

Основная заработная плата основных производственных рабочих:

З0=t;

где, t - часовая тарифная ставка; для сдельщиков 4 разряда t = 64,8 руб.; для повременщиков 3 разряда t = 56 руб.;

P - численность рабочих, чел.;

T - трудоёмкость выполнения работы, норма-час:

для сдельщиков Кср.тар.=1,6;

для повременщиков Кср.тар.=1,4. Отчисления на социальные нужды:

Ос=0,355Зо;

Накладные расходы принимаем 200% от основной заработной платы основных производственных рабочих.

Экономия текущих издержек:

ДС=С1 - С2,

где С1 - себестоимость по старой технологии С2 - себестоимость по предлагаемой технологии

Срок окупаемости:

Ток =,

где: К - капитальные вложения для внедрения предлагаемой технологии. ДС - прирост прибыли

12.1 Сравнение экономической эффективности существующей и предложенной технологии насадки румпеля на баллер

Существующее: Т1=24 норма - час; Рч.сдел.=2 чел.; Р1повр.=1 чел.

Предлагаемое: Т1=8 норма - час; Рч.сдел.=1 чел.; Р1повр.=1 чел.

Основная заработная плата:

З01=(64,8*2*1,6+56*1*1,4)*24*1,23=8 436 руб;

З02=(64,8*2*1,6+56*1*1,4)*8*1,23=1 792 руб;

Отчисления на социальные нужды:

Ос1 = 0,39З01;

Ос1 = 0,398436=3290 руб;

Ос1 = 0,39З02;

Ос1 = 0,391792=700 руб;

Накладные расходы:

Н1 = 2*8436 = 16872 руб.;

Н2 = 2*1792 = 3584 руб.

Капитальные вложения:

К = 65000 руб.

Стоимость материалов:

М1= 18000 руб.; М2= 12000 руб.

Себестоимость без учёта амортизационных отчислений и отчислений на ремонт:

С1 = 1800 + 8436 + 3290 + 16872 = 46598 руб.;

С2 = 1200 + 1792 + 700 + 3584 = 18076 руб.

Амортизационные отчисления и отчисления на ремонт:

Оа1=46598*0,12=5592 руб.;

Отр1=46598*0,05=2330 руб.;

Оа2=18076*0,12=2169 руб.;

Отр2=18076*0,05=904 руб.;

Себестоимость с учётом амортизационных отчислений и отчислений на ремонт:

С1=46598+5592+2330=54520 руб.;

С2=18076+2169+904=21149 руб.;

Прирост прибыли:

ДС=С1 - С2

ДС = 54520 - 21149 = 33371 руб.

Срок окупаемости:

Ток =

= 18% -ставка кредита банка. Ток = год.

12.2 Сравнение экономической существующей и предложенной технологий соединения валов валопровода

Существующее: Т1=30 норма - час; Р1сдельщ.=2 чел.;

Предлагаемое: Т1=18 норма - час; Р2сдельщ.=2 чел.;

Основная заработная плата:

З01=64,8*2*1,6*30*1,23=7652 руб;

З02=64,8*2*1,6*18*1,23=4591 руб;

Отчисления на социальные нужды:

Ос1 = 0,39З01=0,39*7652=2984 руб.;

Ос2 = 0,39З02=0,39*4591=1790 руб.

Накладные расходы:

Н1 = 2*7652 = 15304 руб.;

Н2 = 2*4591 = 9182 руб.

Капитальные вложения:

К = 30000 руб.

Стоимость материалов:

М1= 18000 руб.; М2= 8000 руб.

Себестоимость без учёта амортизационных отчислений и отчислений на ремонт:

С1 = 1800 + 7652 + 29 + 15304 = 25940 руб.;

С2 = 8000 + 4591 + 1790 + 9182 = 18209руб.

Амортизационные отчисления и отчисления на ремонт:

Оа1=25940*0,12=3113 руб.;

Отр1=25940*0,05=1297 руб.;

Оа2=15563*0,12=1868 руб.;

Отр2=15563*0,05=778 руб.;

Себестоимость с учётом амортизационных отчислений и отчислений на ремонт:

С1=25940+3113+3113=30350 руб.;

С2=15563+1868+778=18209руб.;

Прирост прибыли:

ДС=С1 - С2

ДС= 30350 - 18209 = 12141 руб.

Срок окупаемости:

Ток =

= 18% -ставка кредита банка. Ток =год.

12.3 Сравнение экономической эффективности существующей и предложенной технологии заводки гребного вала в сборе с гребным винтом

Существующее: Т1=120 норма - час; Р1сдел.=2 чел.; Р1повр.=3 чел.

Предлагаемое: Т1=42 норма - час; Р2сдел.=3 чел.;

Основная заработная плата:

З01=(64,8*2*1,6+56*3*1,4)*120*1,23=65357 руб;

З02=64,8*3*1,6*42*1,23=16068 руб;

Отчисления на социальные нужды:

Ос1 = 0,3965357=25489 руб;

Ос1 = 0,3916068=6266 руб;

Накладные расходы:

Н1 = 2*65357 = 130714 руб.; Н2 = 2*16068 = 32136 руб.

Капитальные вложения:

К = 300000 руб.

Стоимость материалов: М1= 30000 руб.; М2= 60000 руб.

Себестоимость без учёта амортизационных отчислений и отчислений на ремонт:

С1 = 30000 + 65357 + 25489 + 130714 = 221560 руб.;

С2 = 60000 + 16068 + 6266 + 32136 = 54740 руб.

Амортизационные отчисления и отчисления на ремонт:

Оа1=221560*0,12=26587 руб.;

Отр1=221560*0,05=11078 руб.;

Оа2=54740*0,12=6569 руб.;

Отр2=54740*0,05=2737 руб.;

Себестоимость с учётом амортизационных отчислений и отчислений на ремонт:

С1=221560+26587+11078=259225 руб.;

С2=54740+6569+2737=64046 руб.; Прирост прибыли:

ДС=С1 - С2

ДС= 259225 - 64046 = 195179 руб. Срок окупаемости:

Ток =

= 18% -ставка кредита банка.

Ток = ремонтов.

Сравнения экономических показателей удобнее производить в табличной форме. Все расчеты сведены в таблицу.

13. Энергетический вопрос. Расчёт валопровода

Судовой валопровод работает в сложном напряженном состоянии. Он нагружен крутящим моментом, испытывает продольное сжимающее усилие от силы упора гребного винта на переднем ходу или растягивающее усилие на заднем ходу, изгибается под собственной массой и массой навешанных на него деталей. Кроме того, эти нагрузки носят переменный и циклически повторяющийся характер. Поэтому главным является расчёт, основанный на условном предположении, что вал подвергается воздействию статического крутящего момента.

13.1 Характеристика основных элементов валопровода

Главный двигатель: Марка 6ЧРН36/45; Номинальная мощность 883 кВт;

Частота вращения 5,8 с-1;

Гребной вал: Материал Сталь 35; Диаметр вала 190 мм; Длина вала 10201 мм;

Промежуточный вал: Материал Сталь 35; Диаметр вала 150 мм; Длина вала 2746 мм;

Упорный вал: Материал Сталь 35; Диаметр вала 150 мм; Длина вала 1192 мм;

Винт гребной: Диаметр винта 1850 мм.

13.2 Проверка диаметров валов

Диаметры валов для СЭУ с четырёхтактными главными двигателями должны быть не менее:

- гребной вал:

 мм.

где, К - бесшпоночное соединение гребного винта с валом. Р - мощность на валу, кВт; n - частота вращения, об/мин.

190 > 166 - условие соблюдается.

- промежуточный вал:

мм.

где, F=100 для механических установок СДВС.

150 > 136 - условие соблюдается.

- упорный вал:

мм.

150 > 149,6 - условие соблюдается.

13.3 Расчёт валов на прочность

Необходимость расчёта устанавливают в зависимости от типа ГД, типа передачи, конструктивных характеристик валопровода и гребного винта. К числу таких проверочных расчётов относят: расчёт прочности вала при сложном напряжённом состоянии под действием условно принимаемых статических нагрузок; расчёт на крутильные колебания; расчёт на поперечные изгибающие колебания; расчёт на продольную устойчивость.

13.4 Проверка прочности гребного вала

Расчёт производится для участка между дейдвудными подшипниками и консоли, на которой навешен гребной винт. Усилие от массы гребного винта дв рассмотрим как сосредоточенную нагрузку, приложенную к консоли:

Рис 13.4 Схема для расчёта прочности гребного вала.

l - расстояние от центра тяжести гребного винта до центра кормового дейдвудного подшипника,0,72 м;

l0 - полная длина консоли,0,94 м;

l1 - расстояние между центрами кормового и носового дейдвудных подшипников, 8,28 м.

Наибольшие нормальные напряжения сжатия, МПа:

где, - напряжения сжатия от упора движителя, МПа; - наибольшие напряжения при изгибе, МПа; 30МПа - монтажные напряжения.

Напряжения сжатия от упора движителя, МПа:

=;

Упор движителя, кН

;

где, Рен - номинальная мощность главного двигателя, кВт; - КПД главной передачи, 1; - КПД валопровода, 0,98; - пропульсивный КПД движителя, 0,55; V - скорость судна, м/с

кН;

= МПа;

Наибольшее напряжение при изгибе, МПа:

;

где, Миз - максимальный изгибающий момент на гребном валу, кНм;

Миз=;

где, l2 - длина консоли, м; Dв - диаметр гребного винта, м;

Миз=кНм;

МПа;

МПа.

Напряжение кручения:

;

где, Рв - номинальная мощность, передаваемая валом, кВт; n - номинальная частота вращения вала, с-1;

МПа;

Расчёт валов на прочность выполняется по приведённым напряжениям с помощью следующей формулы:

;

где, - предел текучести материала вала, 320 МПа; Кэ - запас прочности гребного вала, 3,15;

МПа;

МПа;

46,6 < 101,6 - условие прочности соблюдается.

13.5 Проверка прочности промежуточного вала

При проверке прочности промежуточного вала рассчитываем пролёт, имеющий длину между фланцами соседних валов. Вал рассматриваем как балку, свободно лежащую на опорном подшипнике. Влиянием смежных пролётов при изгибе, создающих упругую заделку конусов вала, и увеличением вала на участках расположения шейки под упорным подшипником пренебрегаем. Вал нагружен равномерно распределённой нагрузкой от собственной массы, упор гребного, упором гребного вала и крутящим моментом от упорного вала. Кроме того, на вал действуют дополнительные усилия от неточности монтажа или расцентровки валопровода.

Рис13.5. Схема для расчёта промежуточного вала.

l - длина между фланцами гребного и упорного валов, 2,746 м.

Наибольшие нормальные напряжения сжатия, МПа:

где, - напряжения сжатия от упора движителя, МПа; - наибольшие напряжения при изгибе, МПа; 30МПа - монтажные напряжения.

Напряжения сжатия от упора движителя, МПа:

=;

где, N - упор движителя, кН; d2гр - диаметр гребного вала, м;

Упор движителя, кН:

;

где, Рен - номинальная мощность главного двигателя, кВт; - КПД главной передачи, 1; - КПД валопровода, 0,98; - пропульсивный КПД движителя, 0,55; V - скорость судна, м/с

кН;

= МПа;

Наибольшее напряжение при изгибе, МПа:

;

где, Миз - максимальный изгибающий момент на гребном валу, кНм;

Миз=;

где, l - длина пролёта, м;

Миз=кНм;

 МПа;

МПа.

Напряжение кручения:

;

где, Рв - номинальная мощность, передаваемая валом, кВт; n - номинальная частота вращения вала, с-1;

МПа;

Расчёт валов на прочность выполняется по приведённым напряжениям с помощью следующей формулы:

;

где, - предел текучести материала вала, 320 МПа; Кэ - запас прочности промежуточного вала, 2,8;

МПа;

МПа;

72,2 < 114,3 - условие прочности соблюдается.

13.6 Оценка запаса по критической частоте вращения и продольной устойчивости гребного вала

Крутильными колебаниями валопровода называются периодические колебания закреплённых на валу масс в плоскости их вращения, при которых участки вала между массами закручиваются в пределах упругости материала вала. Эти колебания создают дополнительные касательные напряжения в материале вала. Крутильные колебания особенно опасны при резонансе.

Целью расчёта является определение критической частоты вращения валов, т.е. вращения валов, при которой они утрачивают прямолинейность своих осей и имеют поперечные колебания.

Рис 13.6. Схема для расчёта критической частоты вращения.

где, l1 - - расстояние между центрами кормового и носового дейдвудных подшипников, 8,28 м. l0 - полная длина консоли,0,94 м.

Необходимый запас по критической частоте вращения гребного вала обеспечивается, если:

;

где, Dв - диаметр гребного вала, м; n - номинальная частота вращения гребного вала, мин-1.

;

269,6 > 1,2 - условие соблюдается.

Проверку на устойчивость производят только для << гибких>> валов, т.е. для валов, у которых максимальная длина пролёта превышает 20 диаметров вала.

;

где, lmax - максимальная длина пролета вала, м; dгр - диаметр гребного вала, м.

4,17 > 20*0,19;

4,17 > 3,8;

Для таких валов необходимый запас по продольной устойчивости обеспечивается, если:

104500000;

;

;

7831 > 154,55 - условие соблюдается.

Заключение

Целью данного дипломного проекта была разработка технологии по ремонту и модернизации винто - рулевого комплекса, для снижения трудоёмкости и повышения качества работ, а также для внедрения новых технологий.

В ходе рассмотрения существующей конструкции были выявлены следующие недостатки: - шпоночное соединение гребного винта и вала; - цельнолитой гребной винт; - шпоночное соединение румпеля и баллера;

В результате были сделаны следующие расчёты по модернизации существующих конструкций: - посадка винта на вал гидропрессовым способом; - посадка румпеля на баллер гидропрессовым способом; - расчёт сборного гребного винта; - расчёт оснастки для заводки гребного вала в сборе с гребным винтом.

Выполнено технико-экономическое обоснование разработанных предложений.

Размещено на Allbest.ru